USB 接口简介
一、什么是USB?
USB全称为Universal Serial Bus，翻译过来就是通用串行总线。由英特尔与众多电脑公司提出来，用于规范电脑与外部设备的连接与通讯。目前USB接口已经得到了大范围的应用，已经是电脑、手机等终端设备的必配接口，甚至取代了大量的其他接口。比如最新的智能手机均采用USB Typec取到了传统的3.5mm 耳机接口，苹果最新的MacBook只有USB Typec接口，至于其他的HDMI、网口等均可以通过USB Typec扩展坞来扩展。
按照大版本划分，USB目前可以划分为USB1.0、USB2.0、USB3.0以及正在即将到来的USB4.0。
- USB1.0：USB规范于1995年第一次发布，由Inter、IBM、Microsoft等公司组成的USB-IF(USB Implement Forum)组织提出。USB-IF与1996年正式发布USB1.0，理论速度为1.5Mbps。1998年USBIF 在USB1.0的基础上提出了USB1.1规范。
- USB2.0：USB2.0依旧由Inter、IBM、Microsoft等公司提出并发布，USB2.0分为两个版本:Full-Speed和High-Speed，也就是全速(FS)和高速(HS)。USB2.0 FS的速度为12Mbps，USB2.0 HS速度为480Mbps。目前大多数单片机以及低端Cortex-A芯片配置的都是USB2.0 接口，比如STM32和ALPHA开发板所使用的I.MX6ULL。USB2.0全面兼容USB1.0标准。
- USB3.0：USB3.0同样有Inter等公司发起的，USB3.0最大理论传输速度为5.0Gbps，USB3.0引入了全双工数据传输，USB2.0的480Mbps为半双工。USB3.0中两根线用于发送数据，另外两根用于接收数据。在USB3.0的基础上又提出了USB3.1、USB3.2等规范，USB3.1理论传输速度提升到了10Gbps，USB3.2理论传输速度为20Gbps。为了规范USB3.0标准的命名，USB-IF公布了最新的USB命名规范，原来的USB3.0和USB3.1命名将不会采用，所有的3.0版本的USB都命名为USB3.2，以前的USB3.0、SB3.1和USB3.2分别叫做USB3.2 Gen1、USB3.2 Gen2、USB3.2 Gen 2X2。
- USB4.0：目前还在标准定制中，目前还没有设备搭载，据说是在Inter的雷电 3接口上改进而来。USB4.0的速度将提升到了40Gbps，最高支持100W的供电能力，只需要一根线就可以完成数据传输与供电，极大的简化了设备之间的链接线数，期待USB4.0设备上市。
如果按照接口类型划分的话USB就要分为很多种了，最常见的就是USB A插头和插座，如图所示：
使用过JLINK调试器的朋友应该还见过USB B 插头和插座，USB B插头和插座如图所示：
USB插头在不断的缩小，由此产生了Mini USB 接口，领航者开发板使用的就是Mini USB，Mini USB插头和插座如图所示：
比Mini USB更小的就是Micro USB接口了，以前的智能手机基本都是Micro USB接口的，Micro USB插头和插座如图所示：
现在最流行的就是USB Typec了，USB Typec 插头和插座如图所示：
二、USB 电气特性
此处我们就以Mini USB为例讲解一下USB的基本电气属性。Mini USB线一般都是一头为USB A插头，一头为Mini USB插头。一共有四个触点，也就是4根线，这四根线的顺序如图所示：
如上图所示，USB A插头从左到右线序依次为1,2,3,4，第1根线为VBUS，电压为5V，第2根线为D-，第3根线为D+，第 4根线为GND。USB采用差分信号来传输数据，因此有D-和D+两根差分信号线。大家仔细观察的话会发现USB A插头的 1和 4这两个触点比较长，2和3这两个触点比较短。1和 4分别为VBUS和GND，也就是供电引脚，当插入USB的时候会先供电，然后再接通数据线。拔出的时候先断开数据线，然后再断开电源线。
大家再观察一下Mini USB插头，会发现Mini USB插头有5个触点，也就是5根线，线序从左往右依次是1~5。第1根线为VCC(5V)，第2根线为D-，第3根线为D+，第 4根线为ID，第5根线为GND。可以看出Mini USB插头相比USB A插头多了一个ID线，这个ID线用于实现OTG功能，通过ID线来判断当前连接的是主设备(HOST)还是从设备(SLAVE)。
USB是一种支持热插拔的总线接口，使用差分线(D-和D+)来传输数据，USB支持两种供电模式：总线供电和自供电，总线供电就是由USB接口为外部设备供电，在USB2.0下，总线供电最大可以提供500mA的电流。
三、USB 拓扑结构
USB是主从结构的，也就是分为主机和从机两部分，一般主机叫做 Host，从机叫做Device。主机就是提供USB A插座来连接外部的设备，比如电脑作为主机，对外提供 USB A插座，我们可以通过USB线来连接一些USB设备，比如声卡、手机等。因此电脑带的USB A插座数量就决定了你能外接多少个USB设备，如果不够用的话我们可以购买USB集线器来扩展电脑的USB插口，USB集线器也叫做USB HUB，USB HUB如图所示：
上图是一个一拖四的USB HUB，也就是将一个USB接口扩展为 4个。主机一般会带几个原生的USB主控制器，但基本上不够用，此时可以通过USB HUB芯片进行扩展。
虽然我们可以对原生的USB口数量进行扩展，但是我们不能对原生USB口的带宽进行扩展，譬如ZYNQ的两个原生USB口都是USB2.0 的，带宽最大为480Mbps，因此接到下面的所有USB设备总带宽最大为480Mbps。
USB只能主机与设备之间进行数据通信，USB 主机与主机、设备与设备之间是不能通信的。因此两个正常通信的USB接口之间必定有一个主机，一个设备。为此使用了不同的插头和插座来区分主机与设备，比如主机提供USB A插座，从机提供Mini USB、Micro USB等插座。在一个USB系统中，仅有一个USB主机，但是可以有多个USB设备，包括USB功能设备和USB HUB，最多支持127个设备。一个USB 主控制器支持128个地址，地址 0是默认地址，只有在设备枚举的时候才会使用，地址0 不会分配给任何一个设备。所以一个USB主控制器最多可以分配127个地址。整个USB的拓扑结构就是一个分层的金字塔形，如图所示：
上图中可以看出从Root Hub开始，一共有7层，金字塔顶部是Root Hub，这个是USB控制器内部的。图中的Hub就是连接的USB集线器，Func就是具体的USB设备。
USB主机和从机之间的通信通过管道(Pipe)来完成，管道是一个逻辑概念，任何一个USB设备一旦上电就会存在一个管道，也就是默认管道，USB主机通过管道来获取从机的描述符、配置等信息。在主机端管道其实就是一组缓冲区，用来存放主机数据，在设备端管道对应一个特定的端点。
四、什么是 USB OTG？
前面我们讲了，USB分为HOST(主机)和从机(或DEVICE)，有些设备可能有时候需要做HOST，有时候又需要做DEVICE，配两个USB口当然可以实现，但是太浪费资源了。如果一个USB接口既可以做HOST又可以做DEVICE那就太好了，使用起来就方便很多。为此，USB OTG应运而生，OTG是On-The-Go的缩写，支持USB OTG功能的USB接口既可以做HOST，也可以做DEVICE。那么问题来了，一个USB接口如何知道应该工作在HOST还是DEVICE呢？这里就引入了ID线这个概念，前面讲解USB电气属性的时候已经说过了，Mini USB插头有5根线，其中一条就是ID线。ID线的高低电平表示USB口工作在HOST还是DEVICE模式：
- ID=1：OTG设备工作在从机模式。
- ID=0：OTG设备工作在主机模式。
支持OTG模式的USB接口一般都是Mini USB 或Micro USB等这些带有ID线的接口。如果只有一个Mini USB或者Micro USB接口的话如果要使用OTG的主机模式，那么就需要一根OTG线，Mini USB 的OTG线如图所示：
可以看出，Mini USB OTG线一头是USB A插座，一头是Mini USB插头，将Mini USB插头插入机器的Mini USB口上，需要连接的USB设备插到另一端的USB A插座上，譬如U盘啥的。USB OTG线会将ID线拉低，这样机器就知道自己要做为一个主机，用来连接外部的从机设备(U盘)。